大型水潤滑推力軸承熱彈流潤滑性能分析

武中德，張 宏，張培良，吳軍令

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大型水潤滑推力軸承熱彈流潤滑性能分析

武中德，張 宏，張培良，吳軍令

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

本文借助ANSYS軟件的熱傳導和熱彈變形分析功能，將推力軸承熱流體動力潤滑性能分析和推力瓦及推力盤的熱彈變形計算兩部分迭代求解，實現了推力軸承的熱彈流分析，計算出了水膜厚度、水膜壓力、水膜溫度、流量、損耗及推力軸承和推力盤的溫度分布和熱彈變形。通過對大型水潤滑推力軸承進行熱彈流潤滑性能分析，發現大型水潤滑推力軸承的變形較小，水膜較薄。

水潤滑；推力軸承；熱彈流

0 前言

推力軸承的熱流體動力潤滑性能分析的求解域為瓦面的扇形潤滑劑膜，通過求解雷諾方程和能量方程，并考慮潤滑劑的溫粘效應，就可以得到軸承的潤滑性能[1]。而要實現推力軸承的熱彈流分析，就要考慮推力盤、推力瓦等的熱彈變形，并和推力軸承熱流體動力潤滑性能分析部分迭代求解。對于水潤滑或油潤滑推力軸承，其求解過程是一樣的。推力盤、推力瓦等的熱彈變形計算可以采用簡化的模型[2-5]，也可以采用結構分析軟件[6-9]。采用結構分析軟件（如Ansys、ADINA等），則是通過外部迭代求解。

本文借助ANSYS軟件的熱傳導和熱彈變形分析功能，對某大型主泵電機水潤滑推力軸承進行熱彈流潤滑性能分析。

1 推力軸承結構

某主泵電機推力軸承采用可傾式扇形推力瓦結構。瓦面材料和鋼瓦基為平面接觸，靠加工精度保證。采用球面支承塊支承（如圖1所示）。水潤滑推力軸承的瓦面材料，采用石墨的情況較多，也有復合材料的情況[10-11]。

大型水潤滑推力軸承，為確保工作時的瓦面為微凸面，瓦面預成形為柱面、球面或簡單的多段柱面，便于起動過程中，瓦面快速形成水膜。

瓦面的內、外徑和兩側邊，采用一定的結構件，限制瓦面的徑向和周向以及厚度方向的竄動。

圖1 推力軸承瓦

2 推力軸承特性的計算

2.1 計算分析方法

推力軸承熱流體動力潤滑性能分析和推力盤、推力瓦等的熱彈變形計算，通過瓦面和推力盤面的變形數據，兩部分迭代求解。

大型水潤滑推力軸承需要預成型為柱面、梯形面等，柱面或梯形面的尺寸與熱彈流計算的結果項對應[12-15]。

瓦面材料和鋼瓦基通過一定的工藝結合為一體，以材料特性區來分兩種材料；瓦面材料和鋼瓦基為平面接觸，除此之外，還要考慮接觸面特性。

2.2 停機狀態軸承特性

大型水潤滑推力軸承，瓦面預成形為柱面，停機狀態，軸承瓦面理論上承擔線負荷。對瓦的平面瓦面施加線載荷，進行了接觸應力的計算，根據載荷大小，確定線負荷，進而確定軸向應力和水平方向應力以及瓦變形。如圖2~4所示。

圖2 瓦面Z向受力

圖3 瓦面XY向受力

圖4 瓦變形

停機狀態，推力軸承承擔轉子重量。瓦面線負荷會出現局部應力較大，僅轉子重量，并不會對瓦面造成不利的嚴重影響。

2.3 瓦基和瓦面變形

推力軸承采用球面支撐，工作狀態下，推力軸承瓦面Z向和XY向受力分別如圖5，6所示，Z向壓力和XY向剪力均較小。瓦基由于受力載荷的影響，其變形如圖7所示，為凸變形。瓦面材料的彈性模量一般低于瓦基，會產生較小的凹變形，但瓦面材料的整體變形會隨著瓦基而變。

推力軸承受溫度梯度的影響，瓦基、瓦面和推力盤均會產生熱彈變形。

推力軸承運行過程中，受載荷和溫度梯度的影響，瓦和推力盤會產生熱彈變形（如圖10、12所示）。

圖5 瓦面Z向受力

圖6 瓦面XY向受力

圖7 瓦基變形

2.4 軸承特性

推力軸承穩定運行的工作狀態，瓦面能夠形成連續的水膜，這一過程中軸承不會造成磨損，能夠實現軸承的長壽命。所以，長壽命水潤滑軸承均是按流體動力潤滑進行設計。

推力軸承的熱彈流計算結果見表1。

表1 推力軸承參數及計算結果

推力軸承瓦面水膜厚度、水膜壓力分布分別如圖8~10所示。推力瓦和推力盤的溫度分布和變形分別如圖11~14所示。

圖8 水膜厚度分布（mm）

圖9 水膜壓力分布（MPa）

圖10 水膜溫度分布（℃）

圖11 瓦變形

圖12 瓦溫度分布

圖13 推力盤變形

圖14 推力盤溫度分布

3 軸承性能分析

在軸承運行過程中，由于推力瓦傾斜和變形的影響，最小水膜處在中徑附近靠近出水邊。推力軸承瓦面最大壓力與單位壓力之比為3.56，說明瓦面和推力盤的變形較大，這和瓦面的預成型的柱面大小有關。

瓦面變形的大小是否合適，取決于水膜厚度分布是否合理。

推力軸承瓦變形如圖11所示，為微凸，隨著載荷的增加，這種凸變形加大。瓦面變形雖然為凸變形，這一變形的量級較小，需要適當加大，以提高軸承性能。所以瓦面設計成柱面，一是利于起動時形成水膜，二是為了提高軸承的承載能力。但柱面尺寸較大，會降低軸承承載能力。

推力盤的變形較小。

推力軸承運行過程中，瓦面的周向會產生傾斜，徑向也會產生傾斜。由于受飛輪較大剛度的影響，推力盤的力變形很小，其微凸的變形主要是受溫度的影響。

4 結論

大型水潤滑推力軸承軸承設計時，瓦面型面的尺寸需合理控制，否則嚴重影響瓦面的水膜厚度分布。

考慮推力盤、推力瓦、水膜等的完整推力軸承性能分析，才能準確預測軸承性能。推力盤、推力瓦等的熱彈變形計算采用結構分析軟件，即使結構復雜，也無需簡化模型，實現分析準確性。

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Thermo-elastic-hydrodynamic Lubrication Performance Analysis of Water-lubricated Thrust Bearing

WU Zhongde; ZHANG Hong; ZHANG Peiliang; WU Junling

(Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China)

The thermo-hydrodynamic lubrication and thermo-elastic-deformation are resolved iteratively to get the results of the thickness, pressure, temperature, flow and friction loss of lubricant, and temperature distribution and thermo-elastic-deformation of the pad and thrust disk, the thermo-elastic-deformation of thrust bearing and thrust disk is analyzed with ANSYS. The thermo-elastic-hydrodynamic lubrication performance of water-lubricated thrust bearing have been analyzed. The thickness of water film and deformation of the pad and disk is smaller for large thrust bearings with water-lubrication.

water-lubrication; thrust bearing; thrust disk; thermo-elastic-hydrodynamic

TM303

A

1000-3983(2017)02-0017-04

2016-10-21

武中德（1966-），2001年畢業于哈爾濱工業大學，高級工程師，主要從事大型電機軸承技術研究。

審稿人：孫玉田